0 引言

　　Clavel 博士于1985年發(fā)明的Delta 機(jī)構(gòu)是高速并聯(lián)機(jī)械手當(dāng)中最具有代表性的。Delta 機(jī)械手的3個伺服電機(jī)固聯(lián)在機(jī)架上，伺服電機(jī)與減速器采用鎖緊套的方式連接；主動臂與減速器輸出軸同樣采用鎖緊套的方式連接，這樣可以避免采用鍵連接時的反向誤差；機(jī)械手的３ 個主從動臂構(gòu)成了機(jī)械閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步減小機(jī)械手的定位誤差；從動臂采用碳纖維材料，質(zhì)量和慣性非常小；加減速能力與串聯(lián)機(jī)械手相比具有不可比擬的優(yōu)勢?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)Delta 機(jī)械手特別適合在三維空間中快速抓取操作且定位精度要求比較高的場合應(yīng)用。另外在Delta 機(jī)構(gòu)的動、靜平臺間還可以設(shè)置一可伸縮轉(zhuǎn)軸，由于該可伸縮轉(zhuǎn)軸兩端帶有虎克鉸鏈，故機(jī)械手還能夠?qū)崿F(xiàn)被抓物體垂直于靜平臺的單自由度轉(zhuǎn)動。

　　本文以Delta 高速并聯(lián)機(jī)械手為控制對象，搭建基于PLC 的并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)，研究機(jī)械手的軌跡規(guī)劃、控制數(shù)據(jù)傳輸和伺服參數(shù)整定等保證機(jī)械手性能的關(guān)鍵技術(shù)

1 Delta 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件平臺

　　基于Delta 高速并聯(lián)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，以“Mitsubishi Q02H PLC+ QD75MH4定位控制模塊＋串行口通訊模塊QJ71C24N”為核心搭建機(jī)械手控制系統(tǒng)。

　?。?） 控制系統(tǒng)CPU ：采用三菱MitsubishiQ02HCPU 單元，主要完成控制器控制系統(tǒng)參數(shù)管理，操作空間中末端執(zhí)行氣爪的路徑規(guī)劃，關(guān)節(jié)空間中伺服電機(jī)3軸插補(bǔ)，機(jī)械手轉(zhuǎn)矩、位置、速度正解和逆解的矩陣運(yùn)算，與機(jī)械手運(yùn)動相關(guān)的開關(guān)量邏輯控制，分選工藝中路徑的規(guī)劃和選擇等任務(wù)。

　?。?） 運(yùn)動定位模塊：控制系統(tǒng)運(yùn)動定位模塊采用三菱Mitsubishi QD75MH4多軸位置控制模塊，通過主基板Q38B 與Mitsubishi Q02H CPU 單元通訊。定位模塊負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、位置和速度的控制與監(jiān)視。

　?。?） 串行口通訊模塊：采用Mitsubishi QJ71C24N通訊模塊。該模塊具有RS232和RS485兩個通道，可同時進(jìn)行PLC CPU 與上位機(jī)、PLC CPU 與觸摸屏的通訊。

　?。?） 工業(yè)觸摸屏：選用三菱A960GOT － EBA 彩色工業(yè)觸摸屏作為圖形化人機(jī)界面。觸摸屏通過RS － 232C串行通訊線與QJ71C24N 通訊模塊連接，從而最終與PLC CPU 進(jìn)行通訊。

　　（5） I／O 模塊：用于控制機(jī)械手末端氣爪的張開閉合及檢測氣爪的張開到位和閉合到位。

　　（6） 伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器：采用具有內(nèi)置絕對編碼器和抱閘的三相交流伺服電機(jī)，型號為三菱HC－SFS102B 。相應(yīng)伺服驅(qū)動器規(guī)格為MR － J2S －100B ，與QD75MH4構(gòu)成閉環(huán)控制。

　　采用“Mitsubishi Q02H PLC+QD75MH4定位控制模塊＋ 串行口通訊模塊QJ71C24N”構(gòu)成的控制系統(tǒng)不僅組態(tài)簡單，而且穩(wěn)定可靠，適合工業(yè)中應(yīng)用。并且串行口通訊模塊QJ71C24N 與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊，使得機(jī)械手軌跡規(guī)劃路徑選擇與伺服電機(jī)運(yùn)動控制并行處理成為可能，滿足了機(jī)械手實(shí)時控制的要求。

2 軌跡規(guī)劃及軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 機(jī)械手軌跡規(guī)劃

　　Delta 機(jī)械手主要用于在三維空間內(nèi)對重量輕、體積小的物品進(jìn)行高速抓取、放置操作。本文Delta 機(jī)械手用于電池質(zhì)量分選操作，機(jī)械手每次抓取一行共16個電池，并將16個電池分為（1～10）類。由于工藝要求及并聯(lián)機(jī)械手的關(guān)節(jié)空間位置與操作空間位置是非線性的關(guān)系，對于每一類電池的操作，機(jī)械手末端執(zhí)行器要依次經(jīng)過豎直提升（P1～ P5） → 水平移動（P6～P7） → 豎直下降（P4～ P8）3個階段.

　　基于上述，設(shè)定機(jī)械手的運(yùn)動為連續(xù)軌跡運(yùn)動，需要PLC CPU 在關(guān)節(jié)工作空間內(nèi)對3個伺服電機(jī)做插補(bǔ)計(jì)算，以保證P1～ P5、P6～ P7、P4～ P8段達(dá)到一定的直線度。在軌跡規(guī)劃中，首先將手爪運(yùn)動軌跡看作P1～ P2、P2～ P3、P3～ P3三段直線，為了使機(jī)械手在關(guān)節(jié)空間的振動減小及操作空間的運(yùn)動更加快速平穩(wěn)，對于操作空間中每一段直線，手爪的運(yùn)動過程為靜止→ 加速→ 勻速→ 減速→ 靜止，從而使動平臺的速度v 和加速度a 在操作空間中每一段直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)處為零，且位移s 具有關(guān)于時間的一階、二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，三階導(dǎo)數(shù)有限的運(yùn)動規(guī)律。本例中采用3－4－5次多項(xiàng)式作為機(jī)械手末端執(zhí)行器的運(yùn)動規(guī)律，其具有運(yùn)動時間短、過程沖擊和殘余振動小，比較適合本研究對象。在已知位移s 和最大加速度amax 的條件下，3 －4－5次多項(xiàng)式表達(dá)式為：

　　其中：T 為經(jīng)歷該軌跡段所需要的時間；j 為3－4－ 5次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律的躍度。

　　圖2中，P5～ P6 、P7～ P8段將沒有直線度要求的軌跡轉(zhuǎn)折處優(yōu)化為弧線，從而在豎直段的加速度未減到零之前水平方向已經(jīng)開始加速，這樣進(jìn)一步減小了機(jī)械手的運(yùn)動周期。PLC CPU 采用等時或者等距的原則，對伺服電機(jī)各軸軌跡路徑點(diǎn)的速度和位置進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。

　2.2 數(shù)據(jù)傳輸

　　在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，PLC CPU 要經(jīng)矩陣運(yùn)算對3個伺服電機(jī)進(jìn)行軌跡路徑點(diǎn)運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果通過Q38B 基板提供給定位模塊。定位模塊采用三軸線性插補(bǔ)的方式，控制3個伺服電機(jī)聯(lián)動。PLC CPU向定位模塊傳遞位置和速度數(shù)據(jù)采用如下3種方式：

　?。?） 逐點(diǎn)傳輸：逐點(diǎn)傳遞即機(jī)械手軌跡規(guī)劃與運(yùn)動控制同時進(jìn)行。PLC CPU 每完成一路徑點(diǎn)的位置和速度計(jì)算，即將數(shù)據(jù)傳遞給定位模塊。電池提取位置或放置位置不斷變化或者在不確定的場合可使用該方法。此方法對于PLC CPU 的處理速度要求較高。

　　（2） 批量傳輸：批量傳遞即機(jī)械手準(zhǔn)備就緒后，PLC CPU 先對機(jī)械手當(dāng)前運(yùn)動軌跡的所有路徑點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并將當(dāng)前路徑點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)全部傳遞給定位模塊。傳遞完成后機(jī)械手開始運(yùn)動。在定位模塊執(zhí)行運(yùn)動控制的同時，PLC CPU 對機(jī)械手的下一次軌跡路徑點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃。這樣軌跡規(guī)劃可以有效地利用取放電池的工作時間，有效減小了數(shù)據(jù)傳輸對機(jī)械手運(yùn)動控制周期的影響，但需要知道機(jī)械手下一次的運(yùn)動軌跡。

　?。?） 選擇傳輸：將機(jī)械手抓放電池的起始點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)通過觸摸屏傳輸給PLC CPU 。PLC CPU計(jì)算出所有軌跡的路徑點(diǎn)，然后鎖存在PLC CPU 中。機(jī)械手每次運(yùn)動前根據(jù)上位機(jī)傳遞的電池種類通過PLC CPU 將機(jī)械手的運(yùn)動軌跡傳輸給定位模塊。該方式在機(jī)械手運(yùn)動控制過程中數(shù)據(jù)傳遞量小，響應(yīng)快，但軌跡數(shù)量多時需要占用PLC CPU 較大的內(nèi)存。

　　采用哪種數(shù)據(jù)傳輸方式需根據(jù)機(jī)械手的具體工況，本例中機(jī)械手用于對不同電化學(xué)性能的電池進(jìn)行分選，工況為：電池托盤中256個電池（行×列＝16×16）測試完畢后通過上位機(jī)將測試數(shù)據(jù)傳輸給PLCCPU ，機(jī)械手收到當(dāng)前行電池分類信息后從托盤內(nèi)提取當(dāng)前行電池，并快速將每個電池放置在相應(yīng)的傳送螺旋槽中。根據(jù)電池分選要求，所有電池分為（1～10）個質(zhì)量等級。機(jī)械手抓取一行16個電池后，第一類要釋放的電池有101種可能的運(yùn)動路徑。釋放完第一類電池后剩下的電池有9種可能的運(yùn)動路徑。釋放完第二類電池后剩下的電池有8種可能的運(yùn)動路徑。以此類推直至一排16個電池全部釋放完畢，機(jī)械手共有65種可能的路徑?？紤]到QD75MH4支持的定位控制點(diǎn)數(shù)有限，且不能支持間接尋址，故本文中采用了選擇傳輸。

　　依據(jù)上述規(guī)則，只需將電池的抓取位置坐標(biāo)和釋放位置坐標(biāo)通過觸摸屏輸送給CPU 模塊。機(jī)械手每分選一行電池前先根據(jù)電池的種類自動計(jì)算軌跡，然后CPU 模塊將軌跡點(diǎn)通過傳輸給QD75MH4，從而控制機(jī)械手運(yùn)動。

3 伺服參數(shù)的整定

　　為提高機(jī)械手的操作性能，需要根據(jù)機(jī)械手的負(fù)載、速度、可達(dá)空間對機(jī)械手的伺服參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于機(jī)械手末端執(zhí)行氣爪沒有檢測裝置檢測其定位誤差，因此該系統(tǒng)為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均有調(diào)節(jié)器，也就是比例積分微分調(diào)節(jié)，調(diào)好這3個系數(shù)也就有效保證了機(jī)械手的操作性能。對于MR － J2S － B 系列伺服放大器，其伺服系統(tǒng)的控制算法都嵌入到放大器的硬件中，故整個系統(tǒng)的伺服參數(shù)調(diào)整都在放大器中進(jìn)行。計(jì)算機(jī)通過MRZJW3－SETUP161E 三菱伺服設(shè)定軟件以串行通訊的方式寫入到放大器中。通過對基本參數(shù)、調(diào)整參數(shù)、擴(kuò)展參數(shù)的分析，對負(fù)載慣量比、位置控制增益1和2增益進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整后使機(jī)械手跟隨誤差較小，具有良好的剛性而且操作空間沒有較大的振動和沖擊。

4 結(jié)論

　　本文以“Mitsubishi Q02H PLC ＋ QD75MH4定位控制模塊＋ 串行口通訊模塊QJ71C24N”為核心搭建了高速并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件平臺，對并聯(lián)機(jī)械手軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、伺服參數(shù)整定等技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，得出如下結(jié)論： ① 以PLC CPU 、QD75MH4、QJ71C24N 為核心搭建出的機(jī)械手硬件平臺，具有組態(tài)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，上位機(jī)與PLC實(shí)時進(jìn)行通訊并且路徑規(guī)劃與運(yùn)動控制并行處理，能夠滿足高速并聯(lián)機(jī)械手實(shí)時控制的要求；② 根據(jù)機(jī)械手具體工況，提出了３ 種不同的軌跡路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式，滿足了不同的工作要求；③ 根據(jù)機(jī)械手的負(fù)載、速度、可達(dá)空間對機(jī)械手的伺服參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使機(jī)械手具有良好的操作性能。